Страница 10 из 77
Обратим внимание на важное обстоятельство. Масса этих ядер не обязательно одинакова. Не одинаково может быть и распределение между ними полного количества протонов и нейтронов, входящих в исходное ядро. В соответствии с количеством протонов в каждой из частей между ними перераспределяются электроны, окружавшие исходное ядро. Возникают два, тоже не обязательно одинаковых, атома.
Ядра этих атомов обычно сохраняют избыточную энергию. Они освобождаются от нее — «остывают», например испуская по одному нейтрону. Иногда может выделиться и больше одного нейтрона.
Когда ученые осознали механизм деления ядра, некоторые из них увидели путь овладения ядерной энергией.
Возможность спонтанного деления, без участия внешних нейтронов, открывала и путь к созданию атомной бомбы. Ее следовало бы назвать ядерной бомбой, ведь при ядерной реакции выделяется энергия, заключенная в ядре> ядерная энергия. Это не энергия электронных оболочек, отдаваемая при химических реакциях, например при горении или обычном взрыве. Однако название «атомная бомба» стало привычным и общеупотребительным.
Первые оценки количества урана, способного самопроизвольно положить начало реакции деления его ядер, сделали Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон, два выдающихся советских физика. Они подсчитали: вероятность спонтанного деления ядер урана-235 очень мала. Но при каждом акте деления высвобождается (в среднем) более двух нейтронов. Попав в ядро соседнего атома урана-235, каждый из них практически мгновенно вызовет деление этого ядра и высвободит еще два или больше нейтронов. Так развивается цепная ядерная реакция, ядерный взрыв. Зельдович и Харитон правильно оценили, какой должна быть масса урана-235 для «запуска» цепной реакции, для взрыва бомбы.
В ядерных реакторах, применяемых для получения ядерной энергии в мирных целях, принимаются меры к тому, чтобы не дать цепной реакции деления ядер перейти во взрыв. Для этого специальная система управления поглощает часть нейтронов. Достигнув определенной величины, скорость ядерных реакций более не возрастает.
Внутри реактора бушует первозданная стихия: рождается огромное количество нейтронов и тут же поглощается соседними ядрами и системой управления. Когда ученые достаточно глубоко осмыслили характер этих процессов, они поняли: это подходящий котел для «варки» трансурановых элементов! При этих условиях может успешно реализовываться предложенный Ферми метод получения тяжелых элементов. Первый шаг здесь — выделение и накопление изотопа плутоний-239. Второй — использование этого изотопа для накопления более тяжелых трансурановых элементов.
Эксперимент был осуществлен. Он происходит следующим образом. Внутрь ядерного реактора, туда, где через каждый квадратный сантиметр любой поверхности пролетает миллион миллиардов нейтронов, помещают образец плутония-239. Каждое ядро плутония-239, поглотив один нейтрон, превращается в ядро плутония-240. Оно может избавиться от полученной при этом избыточной энергии двумя путями. 70 % ядер испытывают процесс деления, порождающий два ядра. Эти ядра образуют в свою очередь два атома, принадлежащие к средней области таблицы Менделеева. 30 % ядер плутония-240, не успевая претерпеть деление, поглощают еще один нейтрон, превращаясь в ядро плутония-241. Дальше процесс опять может развиваться двумя путями: 20 % от первоначального количества ядер плутония-241 испытывают деление, а 10 % поглощают еще один нейтрон, превращаясь в плутоний-242. Вероятность деления этих ядер очень мала. Все они поглощают еще один нейтрон, превращаясь в плутоний-243. Это ядро испускает электрон. Ученые говорят, ядро неустойчиво относительно бета-распада. И, увеличив при этом свой заряд на единицу, переходит направо, в соседнюю клетку периодической системы. В данном случае оно располагается на пустом месте между плутонием и кюрием. Новое ядро, окружив себя электронами, становится атомом, получившим название «америций». Это изотоп америций-243.
Мы должны остановиться, для того чтобы ответить на вопрос внимательного читателя: каким образом ядро, состоящее из протонов и нейтронов, может испустить электрон?
Это законный вопрос. Он не может остаться без ответа. Действительно, мы уже знаем, что внутри атомных ядер не существует свободных электронов.
Ответ таков: нейтрон не является стабильной частицей. В свободном состоянии он, под влиянием внутренних процессов, распадается, порождая протон, электрон и антинейтрино. Слово «порождает» имеет здесь точный смысл. Нейтрон не содержит в себе этих трех частиц. Они возникают при его распаде примерно через 15 минут после того, как нейтрон становится свободным от внешних воздействий.
Внутри большинства ядер нейтрон приобретает стабильность. В них он может существовать вечно. Но в некоторых ядрах нейтрон получает возможность распасться. При этом внутри ядра остается новорожденный протон, а наружу вылетают электрон и антинейтрино. Это и есть процесс бета-распада ядра. В результате масса ядра почти не изменяется (масса улетевших частиц очень мала), а заряд ядра увеличивается на единицу. Значит, оно, пополнив свою электронную оболочку одним электроном, переносится в таблице Менделеева на одну клетку вправо.
Возвратимся теперь к ядру америция-243.
Рассматриваемый нами процесс не заканчивается на образовании америция-243. Поглотив один нейтрон, америций-243 превращается в кюрий-244, изотоп ранее синтезированного кюрия-242. Для кюрия-244 главным способом распада оказывается деление. 8,5 % от первоначальных ядер испытывают деление, а 1,5 % успевают поглотить два нейтрона, превращаясь в изотоп кюрий-246. И снова две возможности: 0,8 % от первоначальных ядер, ставшие изотопом кюрий-246, испытывают деление, а 0,7 % из них поглощают по два нейтрона, превращаясь в кюрий-248. Теперь ядро кюрия-248 поглощает лишь один нейтрон, образуется кюрий-249. Но прежде чем оно успевает поглотить второй нейтрон, происходит бета-распад — испускание электрона. Тем самым ядро приобретает добавочный положительный заряд и превращается в ядро следующего, пятого трансуранового элемента, названного берклием. Так рождается изотоп берклий-249.
Увлекательная «игра» в сотворение новых, невиданных элементов привлекла многих физиков. Но для того чтобы продвинуться таким путем дальше, потребовалось увеличить плотность потока нейтронов, воздействующего на образец, еще в десять миллионов раз! Мера, необходимая потому, что ядра тяжелых трансурановых элементов, следующих за берклием, при меньших плотностях потоков нейтронов разрушаются раньше, чем успевают поглотить еще один нейтрон.
При увеличении плотности потока нейтронов ядра берклия-249 успевают поглотить по одному нейтрону и, «перепев» бета-распадом, потеряв электрон, превращаются в ядра нового трансуранового элемента, получившего наименование «калифорний». При этом получается калифорний-250. Его ядра испытывают процесс спонтанного деления. Те ядра калифорния-250, которые, не успев претерпеть деление, поглощают два нейтрона, превращаются в изотоп калифорний-252. Их оказывается всего 0,3 % от исходного количества плутония-239, если он облучался потоком нейтронов плотностью в 10 нейтронов через квадратный сантиметр в секунду.
Этим методом удалось получить 99-й трансурановый элемент эйнштейний и 100-й трансурановый элемент фермий-258. Дальше продвинуться не удалось — изотоп фермия делился спонтанно чрезвычайно быстро.
Еще большие плотности потоков нейтронов возникают при термоядерных взрывах. В 1953 году в США при термоядерном взрыве был пройден своеобразный рубеж — создан элемент фермий, который образовался из ядер урана-238. Некоторые из таких ядер поглотили одновременно по 17 нейтронов! При этом образовались неустойчивые ядра урана-255, которые испытали цепочку из последовательных семнадцати бета-распадов, что и привело к образованию изотопа фермий-255.
Ученые продолжили исследования с применением термоядерных взрывов. Они смогли увеличить плотность потока нейтронов еще в сто раз. Однако новых трансурановых элементов получить не удалось. Наградой за усилия был лишь еще один изотоп сотого элемента — фермий-257, образовавшийся из ядер урана-238 при одновременном поглощении ими по 19 нейтронов.